《Journal of Pharmaceutical Analysis》：The dual faces of lactylation: From post-translational modification to disease regulation
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这篇综述深入探讨了曾被视作代谢废物的乳酸，如何作为重要的信号分子，通过一种名为“乳酸化”（Kla）的蛋白质翻译后修饰机制，在生理与病理过程中扮演着双重角色。文章系统梳理了乳酸化相关的酶系（写入器、读取器、擦除器）、其在组蛋白和非组蛋白上的功能，以及在癌症、心血管疾病、代谢性疾病（特别是糖尿病肾病）和炎症等多种疾病中的关键作用。作者强调，乳酸化作为一种连接细胞代谢与基因表达表观调控的桥梁，既是潜在的致病驱动因子，也是组织修复的调控者，这使其成为精准医疗中极具前景的治疗靶点。
传统观点认为，乳酸是糖酵解的终末产物。然而，近年研究发现，乳酸是一种关键的信号代谢物，能够广泛影响生理和病理过程。其中，赖氨酸乳酸化（Kla）作为一种新近发现的蛋白质翻译后修饰，已成为调控疾病发生发展的核心机制。它就像一把双刃剑，依据细胞环境的不同，既能促进致病信号传导，也能助力组织修复。这种双重特性使其有望成为一个精准的治疗靶点。
本文旨在审视介导乳酸摄取、转运及乳酸化相关酶活性的乳酸识别蛋白功能。我们将详细阐述组蛋白和非组蛋白的乳酸化如何调控包括糖酵解相关细胞功能、RNA修饰、巨噬细胞极化以及细胞命运决定在内的核心生物学过程。最后，讨论乳酸化与其他修饰（如乙酰化）的关系，并展望其在疾病中的病理生理学意义。
1. 引言
细胞根据氧气供应情况选择不同的葡萄糖代谢途径。在常氧条件下，葡萄糖衍生的丙酮酸进入线粒体，通过氧化脱羧产生乙酰辅酶A，并通过三羧酸循环和电子传递链高效生成ATP。而在缺氧条件下，或在呈现瓦博格效应的癌细胞中，丙酮酸则被乳酸脱氢酶还原为乳酸。尽管历史上葡萄糖在代谢研究中占据主导，但越来越多的证据表明，乳酸是一种多功能的循环能量底物，能够满足全身的代谢需求。由于循环中的脂肪酸和乳酸在三羧酸循环中竞争氧化，维持乳酸稳态对于保持碳水化合物与脂质代谢间的氧化平衡至关重要。除了作为能量底物，乳酸也日益被认为参与了多种疾病的发病机制。它可以作为一种激素样信号分子，通过激活肿瘤细胞上的乳酸敏感受体，促进癌细胞的侵袭和免疫逃逸。异常的乳酸生成也与葡萄糖代谢失调密切相关，推动了诸如糖尿病肾病等代谢性疾病的进展。目前，乳酸作为连接糖酵解和氧化磷酸化的桥梁分子，在维持氧化还原平衡和调控炎症方面发挥着关键作用，从而直接影响机体内稳态。
作为重要的表观遗传修饰，蛋白质乳酸化的生物学功能最初由Zhang等人在2019年利用泛特异性的抗赖氨酸乳酸化抗体进行免疫印迹等技术发现。这项开创性研究揭示了乳酸在基因调控和翻译后修饰中的新作用，为后续乳酸化功能探索奠定了坚实基础。同样在2020年，Gao等人通过赖氨酸乳酸化组学分析，在植物真菌病原体灰葡萄孢中鉴定出乳酸化位点，为乳酸化相关研究和潜在诊断应用提供了额外的方法学和概念支持。乳酸化的底物来源于乳酸的细胞外摄取和细胞内糖酵解代谢。鉴于其在多种细胞类型的组蛋白和非组蛋白上广泛存在，乳酸化在生理和病理条件下对基因表达程序具有广泛的调控影响力。
2. 乳酸与乳酸化相关蛋白
乳酸作为信号分子，其功能依赖于一系列蛋白质的协同作用，包括感知蛋白、转运蛋白、乳酸酰辅酶A合成酶以及负责修饰的酶家族。
2.1. 乳酸感知蛋白
G蛋白偶联受体是细胞响应外界刺激的主要介质。其中，GPR81是关键乳酸感应受体，最初在脂肪细胞中发现，后续研究发现其在许多高能量代谢细胞中广泛表达。在肿瘤微环境中，乳酸通过自分泌和旁分泌机制激活癌细胞自身膜上的GPR81，同时也能刺激基质细胞上的GPR81，从而导致血管生成、免疫逃逸和化疗耐药。此外，GPR81-乳酸通路在调节炎症反应中也发挥着重要作用。然而，GPR81作为通用乳酸传感器的功能需要进一步验证，因为其功能可能受到组织特异性和表观遗传调控的影响。
2.2. 乳酸转运蛋白与乳酸穿梭
乳酸在不同细胞间不断产生和利用。Brooks在1985年首次提出了“乳酸穿梭”的概念。这一过程是肌肉-肝脏协作机制的基础。乳酸穿梭的存在强调了葡萄糖代谢的整合性，揭示了糖酵解和氧化磷酸化是相互关联而非孤立的过程。单羧酸转运蛋白介导了乳酸的运输，这些转运体使细胞能够根据乳酸浓度和pH值的变化摄取、释放和转移乳酸。MCT的不同亚型参与广泛的生理和病理细胞活动，并表现出功能双重性。
2.3. 乳酸酰辅酶A合成
无论是通过MCTs导入还是通过糖酵解产生的乳酸，都可以被酶促转化为乳酸酰辅酶A。乙酰辅酶A合成酶2可作为乳酸酰辅酶A合成酶。Zhu等人的研究证实，ACSS2能够将乳酸转化为乳酸酰辅酶A，并与赖氨酸乙酰转移酶2A结合。KAT2A随后作为乳酸转移酶，乳酸化组蛋白H3，从而导致脑癌相关蛋白如Wnt/β-catenin、NF-κB和PD-L1的表达。
2.4. 乳酸化酶家族
乳酸酰辅酶A的转移、识别和去除整个过程由一组相关酶家族控制。
首先是写入酶，它们将乳酸酰辅酶A与靶蛋白结合，从而引入乳酸化修饰。研究表明，像p300这样的乙酰转移酶可以作为乳酸化写入酶。值得注意的是，写入酶表现出很高的底物和位点特异性。例如，p300在胰腺导管腺癌和脓毒症相关肺损伤中优先靶向组蛋白H3的第18位赖氨酸，而HBO1在肿瘤发生中对H3K9表现出选择性。
其次，读取酶识别这种化学修饰的信号，进而触发下游信号通路。读取特异性同样关键，其识别通常涉及特定的结构域（例如用于组蛋白乳酸化的溴结构域），但可能与类似的酰化发生交叉反应，从而降低炎症条件下的特异性。
最后，擦除酶将乳酸基团从蛋白质上去除，从而中断下游信号的转导。诸如组蛋白去乙酰化酶和去乙酰化酶家族等酶在去除蛋白质的乳酸化修饰方面发挥作用，从而调节细胞内乳酸化的动态平衡。擦除酶也表现出可变特异性。
2.5. 乳酸化的异构体形式
蛋白质乳酸化存在三种异构体形式：L-乳酸化、D-乳酸化和羧乙基化。其中，L-乳酸化是唯一通过糖酵解代谢酶促调控的形式，它通常通过类似于乙酰化的机制发生在核组蛋白上。相比之下，D-乳酸化和羧乙基化被认为主要通过乙二醛介导的途径非酶促产生，并且根据现有证据，更常见于胞质蛋白中。
3. 组蛋白乳酸化与疾病
组蛋白乳酸化作为一种分子桥梁，连接了代谢缺氧、瓦博格效应和细胞命运决定，凸显了其对生理和病理过程的广泛影响。
3.1. 巨噬细胞代谢重编程与极化中的乳酸化
组蛋白乳酸化在巨噬细胞代谢重编程中发挥着核心作用。乳酸化增强了M2相关基因如Arg1的转录。在胶质瘤中，缺氧诱导的乳酸积累通过MCT1/H3K18la/TNFSF9轴促进M2极化，从而驱动肿瘤进展。在卵巢癌中，乳酸诱导的H3K18乳酸化增强了M2极化和CCL18表达，加剧了恶性肿瘤并导致预后不良。然而，在某些炎症代谢性疾病中，M2巨噬细胞对于启动免疫稳态的恢复至关重要。
3.2. RNA m1A/m6A修饰中的乳酸化
越来越多的研究表明组蛋白乳酸化与RNA甲基化密切相关。H3K18la促进了SP100A上N1-甲基腺苷修饰的去除。这种乳酸化驱动的m1A缺失会破坏肿瘤抑制性早幼粒细胞白血病核小体的稳定性，促进恶性转化。此外，作为m6A修饰读取器的YTH结构域蛋白，在癌症、炎症和代谢疾病中受到广泛关注。Jia等人揭示了在葡萄膜黑色素瘤细胞中，H3K18la促进了YTHDF2的转录，后者随后识别并降解肿瘤抑制基因PER1和TP53的m6A修饰转录本，从而促进肿瘤发生。此外，乳酸/H3K18la轴上调METTL3以增加m6A修饰。该通路还通过m6A修饰调节ACSL4 mRNA的稳定性，调控脓毒症期间肺泡上皮细胞的铁死亡。
3.3. 免疫逃逸与治疗抵抗中的乳酸化
组蛋白乳酸化主要通过上调免疫抑制分子如PD-L1的表达来促进肿瘤细胞的免疫逃逸。在肿瘤微环境中，PD-L1的乳酸化增强了对细胞毒性T细胞介导杀伤的抵抗。值得注意的是，通过阻断PD-1/PD-L1轴可以逆转由丝氨酸/甘氨酸缺乏饮食诱导的CD8+ T细胞功能障碍，这支持了代谢干预与免疫检查点阻断之间的潜在协同作用。
3.4. 炎症通路激活中的乳酸化
组蛋白乳酸化调控关键的炎症信号通路，尤其是NF-κB，从而加速多种疾病的进展。鉴于其在转录调控和代谢信号传导中的广泛参与，组蛋白乳酸化表现出功能双重性，根据环境既可充当致病驱动因子，也可作为修复反应的介质。因此，精准、靶向地调控乳酸生成和组蛋白乳酸化，对于防止异常的乳酸积累同时最大化乳酸化导向干预的治疗潜力至关重要。
4. 非组蛋白乳酸化与疾病
最近的乳酸化组学研究揭示了人类蛋白质组中广泛的非组蛋白乳酸化，表明其对蛋白质结构、分子间相互作用和酶活性具有广泛影响。值得注意的是，在核糖体的43种结构蛋白中检测到赖氨酸乳酸化，暗示了其在蛋白质合成中的作用。这意味着乳酸化可能影响翻译的各个阶段，导致蛋白质一级结构的改变。
4.1. 细胞死亡与分化中的乳酸化
非组蛋白乳酸化通过影响关键的生物学过程，如肿瘤发生、组织修复和免疫调节，来调控细胞命运。这些效应通过各种机制介导，包括蛋白质-蛋白质相互作用、基因靶向以及下游信号通路强度的调节。此外，非组蛋白乳酸化也参与了细胞死亡的调控。值得注意的是，乳酸化通过调节caspase家族蛋白的活性来调控细胞死亡。
4.2. 通过DNA/RNA相互作用调控基因表达的乳酸化
许多非组蛋白乳酸化蛋白可以通过与DNA或RNA相互作用，成为基因表达的关键调节因子。乳酸化的非组蛋白也能影响RNA修饰和剪接。在DNA方面，非组蛋白主要影响DNA修复途径。例如，乳酸化的NBS1促进DNA的同源定向修复，增强了癌细胞的耐药性。然而，来自化疗初治胃癌患者的类器官研究表明，乳酸脱氢酶抑制剂司替戊醇与顺铂联用可以促进肿瘤消退。
4.3. 细胞代谢及代谢酶功能调节中的乳酸化
非组蛋白的乳酸化在调节细胞代谢中起着至关重要的作用，主要通过影响代谢酶的功能来实现。乳酸化酶被大量乳酸化，形成了一个自我强化的循环，即乳酸产生增强乳酸化，而乳酸化又反过来重编程糖酵解通量。关于线粒体代谢，Zhao等人报道，缺氧引发AARS2的积累，驱动丙酮酸脱氢酶复合体中的PDHA1和CPT2的乳酸化。
乳酸化修饰影响代谢疾病的并发症。在糖尿病中，乳酸水平升高与DKD患者的肾纤维化相关。Zhang等人证明，组蛋白乳酸化通过Kruppel样因子5介导的上皮-间质转化促进肾纤维化，加剧了DKD患者的肾纤维化。有趣的是，KLF5表达受组蛋白乙酰化相关酶p300和HDAC1调控。然而，初步观察并未揭示乳酸对小鼠肾小管上皮细胞中赖氨酸乙酰化的显著影响。这些发现表明，由乳酸促进的组蛋白乳酸化可能先于组蛋白乙酰化发生，进一步阐明了在DKD背景下乳酸化与乙酰化之间错综复杂的相互作用。
目前关于DKD中乳酸化的研究仍处于早期阶段。鉴于DKD是糖尿病的主要微血管并发症，未来的研究将剖析乳酸化、葡萄糖代谢和氧化应激之间的三方相互作用，重点是解码“高葡萄糖-高乳酸-高乳酸化-高代谢应激”轴。值得注意的是，研究表明药物二甲双胍通过SIRT1/FoxO1自噬信号轴减轻糖尿病大鼠的肾损伤，突出了SIRT1作为肾脏保护和维持肾脏代谢稳态的沉默信息调节因子的潜力。
5. 乳酸化与其他化学修饰的交互作用
蛋白质经常携带多种翻译后修饰，同一多肽链上不同标记的共存可以产生复杂的功能结果，包括指导亚细胞定位的协同效应或空间上阻碍结合位点的竞争性相互作用。最近的研究揭示了乳酸化与其他酰化之间广泛的相互作用，特别强调了乳酸化与乙酰化之间的交互作用。
5.1. 乳酸化与乙酰化
乳酸化与乙酰化之间的强烈相互作用很大程度上源于它们共享的酶促机制。p300是一种关键的乙酰转移酶，已被证明可以催化多种蛋白质的乙酰化和乳酸化。SIRT和HDAC等作为去乙酰化酶的蛋白质，可以催化非组蛋白的去乳酸化。乳酸化和乙酰化也可能在同一细胞环境中引起时空竞争。Zhang等人报道，在M1巨噬细胞活化期间，组蛋白Kla水平增加，而Kac水平在16至24小时之间下降，表明这些修饰之间存在动态和拮抗的相互作用。
5.2. 乳酸化与其他修饰
除了乙酰化，乳酸化还与其他酰化在功能上相互作用，以调节细胞代谢和信号传导。PKM2，作为促炎巨噬细胞代谢适应的关键调节因子，经历多种翻译后修饰，这些修饰决定了其酶活性和功能结果。PKM2的K62位点乳酸化增强了其丙酮酸激酶活性，从而抑制瓦博格效应并促进促炎巨噬细胞向修复表型转变。相反，PKM2的琥珀酰化通过促进PKM2从四聚体形式向二聚体形式转变来抑制其丙酮酸激酶活性。这些发现表明，乳酸化和琥珀酰化在瓦博格效应和糖酵解的调节上发挥拮抗作用。
鉴于乳酸化与其他酰化修饰交互作用的复杂性，研究人员应采用整体、系统层面的方法，考虑多种翻译后修饰的动态相互作用、它们共享的酶促机制以及驱动其调节的代谢环境。考虑到这些修饰的广泛影响及其动态的时空平衡，很难预测乳酸化抑制后其他表观遗传修饰对蛋白质功能的潜在附加效应和负面后果。
6. 前景与结论
蛋白质乳酸化的发现极大地拓展了传统上对乳酸的简单理解，证实了其作为细胞稳态和表观遗传修饰关键调节因子的作用。蛋白质乳酸化研究协调了多种病理条件下的多样化信号级联反应。新出现的证据表明，其调控作用范围广泛，从促进肿瘤微环境重塑到促进组织修复过程，构成了一个复杂但经常失调的代谢-表观遗传网络，具有深远的病理生理学意义。值得注意的是，乳酸化即使在相同的疾病类别中也具有双重性质。它既可以促进也可以抑制肿瘤发展，并在心肌梗死、DKD和脂肪肝等多种疾病中加剧或缓解代谢性和炎症性疾病。这种双重功能凸显了其在推进个性化和精准医学中的相关性，表明其有潜力根据个体患者独特的分子和病理特征来指导未来的定制治疗方案。
